物质的结构

在光学之后，物理方面最大的进步，是通过对火和热的解释，而出现的物质一般结构方面的知识。原子被再次强调为物质组成的基本单位，化学元素被发现。

我们都已经看到留基伯、德谟克利特和伊壁鸠鲁在公元前5世纪如何对物质的原子结构进行思考。他们的学说在当时由于反宗教的倾向受到抵制，以至于中世纪时人们完全对之视而不见。现在它们通过在汉堡生活并教学的德国植物学家J·庸格（1597—1657）、法国哲学家皮埃尔·伽桑狄（1592-1655）的书《哲学综述》，以及其爱尔兰墓志铭写着“化学之父和科克伯爵的叔叔”的罗伯特·波义耳（1627—1691）得到重生。

伽桑狄　庸格只是对原子的植物学方面感兴趣，所以他的思考无须多言，但是伽桑狄对物理学思想做出了重要贡献。他想象说，所有物质都是由绝对僵硬和不可毁坏的原子构成；它们在物质上类似，但是在大小和形状上不同，在空旷的空间里向各个方向运动。他认为，很多观察到的物质的属性都可以通过这样的原子运动获得解释，我们现在知道可以这样。他还对物质的三种状态——固体、液体和气体，以及相互转换给出了较为准确的解释，但他非常错误地猜测，物体内的热是来源于某种特殊的“热原子”。

罗伯特·波义耳　10年以后，波义耳对这些问题产生了兴趣，并得到不同结论，帮助化学从一堆模糊的猜测变为结构严谨的科学。

中世纪的学术仍然坚持着希腊的学说，所有物质都是四个元素的混合体：水、土、空气和火，而其他人则相信每种物质的的基础可以在阿拉伯的三种“要素”中找到：盐、硫和汞。一般认为，任何物质都可以通过火“分解”为他的基本元素或要素。波义耳不相信这一点和其他很多类似的观点，并提出简单的事实进行反驳。

他指出，一些物质，如金和银可以完全经受火的烧冶。当金放在火中时，它不会产出土、水或空气，也不会产出盐、硫或汞，仍然还是金。即便金发生变化，如，受到王水（氢氯硝酸）袭击时，仍然继续存在并最终恢复为金。当金与其他金属混合构成合金时也是一样，其物质没有减少或转换，合金仍然可以逆向分解出与投入同样多的金。波义耳说，这意味着金有恒久的不可改变的存在方式。

其他物质，当然，可以被火所改变。在1630年，比利时医生让·瑞证明，锡和铅当煅烧时增加重量。波义耳现在重复并确证了这个实验，这样显示出，煅烧达到的效果比还原始成分更加复杂。

在这些简单的思考下，波义耳对四种元素土、空气、火和水，以及阿拉伯的要素的存在进行了挑战。1661年他发表了一本书，其中现代化学元素代替了曾经阻碍化学进步如此长时间的“元素”和“要素”。波义耳解释说，他所说的元素是指“某些原始的简单的体，不是由其他体产生，也不是与其他体互相生成，而是一些元素，可以一步组合成其他所有所谓的完美混合体，而且可以由这些混合体最终分解得到”。几年以后，他陈述说，所有物质都由固体颗粒组成，每一个都有自己确定的形状——现代化学的“原子”。波义耳说，它们可以互相组合，形成有特点的集体，即现在所称的分子。这样的观点可能将化学研究带上正确的轨道，但得到普遍接受尚需时日，直至法国化学家拉瓦锡在整整一个世纪之后提出类似观点。

同时，波义耳还进行了一系列测量气体物理属性的实验，其合作者是罗伯特·虎克，一位非常有能力和天才的由波义耳指定为助手的实验员，他们的实验如果没有马格德堡市长奥托·冯·格里克几年前发明的气泵将无法实现。波义耳和虎克在1656年改进了这个仪器，并着手研究了空气的重量、压缩性和伸缩性，以及一些其他特性。波义耳用这个新的“气动发动机”做的第一个实验立即出现了他所称的“空气弹簧”，当空气受到压缩时，会产生力保持其以前的体积，如同钢丝弹簧一样。不同压力下的精确测量得出了定律，也就是这个国家所称的“波义耳定律”（1661年），即如果你对气体加两倍的压力，你将得到一半的体积，等等，体积与压力成反比。该定理所表现的内容并非源自波义耳，他只是告诉我们理查德·汤立和一位“特定的人”（大概是虎克）曾经向他提出的建议。另外，皇家学会主席布朗克尔爵士也曾做过很多实验证实了这个定律。在1676年，法国物理学家马略特重复了波义耳的一些实验，并宣布了与波义耳15年前的发现基本一致的定律，在欧洲大陆被称为马略特定律。

1662年，波义耳和虎克仍然在进行气泵实验的同时，发现当一个容器内的大部分空气被抽走以后，动物无法在其中生存，物质也难以燃烧，这表明，空气对呼吸和燃烧至关重要。但波义耳发现，这些过程仅仅消耗了部分空气，当大部分气体仍然在容器内时，小的动物会死掉，或者火焰会熄灭。他得出结论说，空气不是简单的物质，而是一个混合体，其中的一个要素可以支持呼吸和燃烧，而其他的一个或多个不可以。他将可以支持的描述为空气的“活跃要素”——显然这是我们所称的氧气，但是他没有办法将它们分开，因而也无法研究其性质。

1668年，康沃尔医生约翰·梅奥（1640—1679）坚持说，一个物体在燃烧时增加重量是因为它与某些“空气中活跃而微妙的成分”进行了结合，即活跃要素，当然这又是氧气，但同样仍然无法研究其特性。波驰在1678年将同样的气体从硝石中分解出来，但不能更了解其本性，直到普里斯特利在1774年重新发现时，其重要性才得到认识。